planta fotovoltaica a-si de 3.3 kw en la universidad ... · los inversores danfoss solar utilizan...

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FORMACIÓN ON-LINE EN ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA (Sept-2010)

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www.cursofotovoltaica.com http://cursofotovoltaica.blogs.upv.es/ Salvador Seguí Chilet ([email protected])

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PLANTA FOTOVOLTAICA a-Si DE 3.3 kW EN LA UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA

El 29 de Julio de 2010 se conectó a la red de suministro eléctrico de la Universidad Politécnica

de Valencia (UPV) una instalación fotovoltaica de 3.3 kWpk de módulos de silicio amorfo. La

central, ubicada en la azotea norte de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería del Diseño,

está formada por 64 módulos EPV-52.

El Vicerrectorado de los Campus e Infraestructuras apoya esta iniciativa, destacando su papel

práctico para los alumnos en el campo de las energías renovables, y su potencial para la

investigación, al mismo tiempo que se aumenta la producción de energía alternativa, lo que

supone una mejora del Sistema Gestión Ambiental verificado según el Reglamento EMAS de

la UPV.

Encontrarás una presentación detallada de esta central fotovoltaica en

https://polimedia.upv.es/visor/?id=d5b6a1d5-edb6-4849-8630-40f8db41a147#

La dirección del Título Propio de Diplomado de Extensión Universitaria en Energía Solar

Fotovoltaica, impartido en formato on-line por la Universidad Politécnica de Valencia, en

colaboración con el Vicerrectorado de Infraestructuras y diversas empresas relacionadas con el

sector fotovoltaico, han construido una instalación fotovoltaica de 3.3 kWpk con módulos de

silicio amorfo en la azotea norte de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería del Diseño

(ETSID). La instalación ocupa la superficie de 65 m2 situada sobre la escalera de acceso a la

terraza norte del edificio y la energía generada se vierte a la red de suministro eléctrico propia

de la Universidad Politécnica de Valencia. La instalación es utilizada para trabajos de formación

e investigación en este tipo de fuente de energía renovable

Tecnologías de capa delgada.

Los avances tecnológicos de los últimos años han propiciado que las denominadas

tecnologías de capa delgada (thin-film) aparezcan en el mercado ocupando una cuota de

mercado que va en aumento. Unas prestaciones que se mejoran día a día, eficiencias en la

conversión que mejoran continuamente, mejor comportamiento con las altas temperaturas de

trabajo, producciones energéticas por kilovatio pico instalado que son superiores a las

obtenidas con módulos de silicio cristalino y procesos constructivos que precisan de menos

material semiconductor y que permiten producir módulos más económicos, han permitido

crecer en los últimos años la cuota de mercado de los diversos tipos de tecnologías que se

engloban bajo la etiqueta de capa delgada (thin-film) [1].

Las instalaciones fotovoltaicas con módulos de capa delgada presentan algunas pequeñas

diferencias respecto a las que usan módulos cristalinos. Las consideraciones técnicas

principales que suelen tenerse en cuenta cuando se utilizan módulos fotovoltaicos de capa

delgada son:

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� Se recomienda el uso de un inversor con aislamiento galvánico, bien sea de alta o baja

frecuencia.

� Se recomienda la puesta a tierra eléctrica del polo negativo de continua del campo

fotovoltaico.

� Respetar las tensiones máximas admitidas para el sistema fotovoltaico.

� No sobrepasar los valores eléctricos máximos del inversor durante el proceso de

estabilización de los módulos.

Campo fotovoltaico de a-Si en la ETSID

Los 64 módulos fotovoltaicos EPV-52 de silicio amorfo (a-Si) de EPVSOLAR están agrupados

en 8 ramas de 8 módulos fotovoltaicos conectados en serie. Los 64 módulos se han instalado

en un único campo solar, con los módulos inclinados 20º respecto a la horizontal y siguiendo la

orientación del edificio, por lo que la instalación está orientada al sur con una desviación hacia

el oeste de 18.67º. Los módulos de capa delgada producen más energía con inclinaciones

diferentes a la óptima, incluso con una orientación normalmente desfavorable (hacia el este o el

oeste).

Foto 1.- Campo fotovoltaico de 3.3 kWpk de a-Si instalado en ETSID-UPV.

Durante el proceso de estabilización del material fotovoltaico, se pueden producir tensiones,

corrientes y potencias superiores a las nominales. Hay que prestar especial cuidado a las

tensiones máximas que vayan a suministrar los módulos durante las primeras semanas. Las

principales características de los EPV-52 se muestran en la Tabla 1.

Ppk ( W) VOC (V) VPMP ( V) IPMP (A) ISC (A)

Valores STC 52 60 45 1,15 1,44

% variación inicial 20% 10% 10% 15% 10%

Valores iniciales 62,4 66 49,5 1,3225 1,584

Tabla 1.- Características del módulo EPV-52.

La tensión de vacío (VOC) para condiciones STC es de 480 V, aunque podría llegar a valores

cercanos a los 530 V si se tiene en cuenta que durante el proceso inicial de estabilización la

tensión puede ser un 10 % más alta. Este valor está suficientemente alejado de los 600 V

máximos que soporta la entrada del inversor Danfoss ULX3600 utilizado en la instalación. La

potencia de pico instalada para condiciones STC es de 3328 Wpk, aunque durante la

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estabilización, considerando el 20 % de potencia extra durante la estabilización inicial, podría

llegar a los 3994 Wpk, valor que supera ligeramente la potencia máxima admitida por el

inversor. Los bajos niveles de corriente producidos por estos módulos (IMPP_STC=1.15 A) dan

como resultado unos valores de corriente de PMP en la instalación de 9.2 A, lejos de los 14 A

máximos admitidos por el inversor.

Inversor Danfoss ULX3600.

El inversor utilizado para la conexión a red de la planta fotovoltaica es el Danfoss ULX3600 HV

[2]. El equipo forma parte de la gama de inversores UniLynx de Danfoss, con potencias AC

máximas de 1.8 kW, 3.6 kW y 5.4 kW. Es un inversor monofásico que incorpora

transformador de alta frecuencia y que permite la utilización de módulos de capa delgada,

así como módulos cristalinos. Sus principales características técnicas se indican en la Tabla 2.

Vdc_max Vdc_min Idc_max PFV_max ηEUR ηmax 600 V 200 V 14 A 3900 W 93,4% 94,3%

Tabla 2.- Características principales del inversor UniLynx de Danfoss ULX3600 HV.

El inversor incluye dos entradas de continua que pueden operar de forma independiente, cada

una de ellas con su propio seguidor de PMP (MPP-Tracker o MPPT), admitiendo una corriente

máxima de 7 A en cada entrada de continua. El modelo utilizado es el que tiene un rango de

tensión más elevado (siglas HV), dispone de una IP54 para su montaje en el exterior, e incluye�

��nterruptor DC para desconectar la entrada procedente del campo fotovoltaico y un módulo

ENS para la supervisión de la red.

Foto 2.- Inversor fotovoltaico, cajas de conexionado DC, control de puesta a tierra y cuadro

eléctrico de la planta fotovoltaica.

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Los inversores Danfoss Solar utilizan una combinación de dos métodos de seguimiento del

PMP, diseñados exclusivamente para trabajar con niveles de irradiación tanto altos como

bajos, lo que asegura la producción de energía incluso en condiciones de poco sol. La inclusión

de este algoritmo es muy interesante cuando se utilizan módulos de silicio amorfo, debido a

que producen más energía que los cristalinos cuando hay nubes, al amanecer o incluso cuando

la orientación no es la óptima. El inversor arranca o permanece generando con una potencia

mínima de inicio de la generación de 20 W. Medidas tomadas con el sistema de adquisición

Eos Array indican que la producción de energía se inicia con valores de radiación de 14 W/m2,

con una tensión en el campo fotovoltaico de 280 V y una corriente DC total de 40 mA, tal como

se observa en la Fig. 1.

Figura 1.- Potencia generada y radiación al inicio del día (gráfico generado por el Weblogger).

Conexionado del campo fotovoltaico y puesta a tierra.

Para poder conectar las 8 ramas del campo fotovoltaico a la entrada de cada MPPT

independiente se han utilizado dos cajas de conexión S-800-12DT-T25-Y-PC-2.0 [3] [4]

suministradas por Hawi España Energías Renovables, S.L.U., conectando 4 ramas en cada

caja de conexión. La tensión máxima admitida es de 800 V y la corriente de cortocircuito para

cada una de las entradas disponibles es de 2.2 A. En el esquema de las cajas de conexión en

continua (Fig. 2) se puede observar que las cuatro entradas positivas de las ramas de módulos

en serie disponen de diodos que evitan la corriente inversa por las ramas. Tanto el terminal

positivo como el negativo cuentan con protección frente a sobretensiones respecto a tierra. La

caja está montada a la intemperie al disponer de una IP 65 y cuenta con un interruptor DC que

permite desconectar el campo fotovoltaico de la salida DC que se conecta al inversor.

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Figura 2.- Caja Hawi para interconexión de las 4 ramas en paralelo.

La puesta a tierra eléctrica del polo negativo de continua del campo fotovoltaico está

impuesta por el fabricante de los módulos para poder garantizar el correcto funcionamiento de

los módulos durante los 25 años de vida útil garantizada. La puesta a tierra eléctrica del polo

negativo de continua del campo fotovoltaico se ha realizado en un kit desarrollado por Hawi

(HAWi-Earthcontrol-2xEarthfuse-Kit) que incluye una dispositivo para el control de la conexión

a tierra (Earth Control) y dos fusibles, proporcionando una señal de alarma en caso de que se

destruya alguno de los fusibles por corrientes de fugas a tierra elevadas.

Monitorización.

La monitorización de la planta fotovoltaica dispone de dos sistemas independientes de

adquisición de datos, uno suministrado por Danfoss, orientado a la monitorización de la planta,

y otro suministrado por Carlo Gavazzi (denominado Eos Array), que permite la monitorización

completa cada uno de las ramas del campo fotovoltaico además de los parámetros principales

de la instalación fotovoltaica.

Foto 3.- Weblogger de Danfoss (izq.) y Eos Array de Carlo Gavazzi (drcha.) utilizados para la

adquisición de datos de la central fotovoltaica.

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El equipo de monitorización “ComLynx Weblogger” de Danfoss [5] incluye la unidad

“ComLynx Sensor Interface” en la que se conectan: un contador de pulsos para medida de la

energía AC generada, un sensor de radiación solar, un sensor de temperatura ambiente y un

sensor de temperatura de módulo. Los datos se almacenan en el Weblogger, que actúa como

un servidor web del que el usuario puede obtener los datos almacenados, visualizar

condiciones de funcionamiento en tiempo real (Fig. 3), etc.

Figura 3.- Gráfico generado por el Weblogger a partir de la información suministrada por el

inversor y la medida del sensor de radiación.

El otro sistema de monitorización, el Eos Array de Carlo Gavazzi [6], es un sistema de

monitorización basado en un concepto modular, fácil de adaptar en cualquier aplicación solar y

que permite la monitorización independiente de cada una de las ramas del campo solar más los

principales parámetros de la salida de alterna, pudiendo realizar el cálculo de la eficiencia de la

instalación. El sistema de adquisición de datos Eos Array utilizado en esta instalación

fotovoltaica incluye diversos módulos. La unidad master VMU-M incluye una entrada para un

contador de pulsos que mide la energía AC generada. La unidad VMU-M tiene conectadas 8

unidades VMU-S (unidades de control de la rama), donde se incluye el fusible de protección

por rama. Cada unidad VMU-S mide la tensión y la corriente de su rama correspondiente,

utilizando la unidad master dichos valores para el cálculo de potencia DC y energía DC

generada por cada rama. El sistema incorpora diversas funciones de diagnóstico (fusible

fundido, conexión incorrecta del módulo), permite la medición de la eficiencia de las ramas y

registran también eventos (estado de las salidas y entradas digitales, alarmas reales/virtuales,

fusible fundido....). El sistema se complementa con una unidad de medidas que incluye la

medida de la radiación solar, la temperatura del módulo fotovoltaico y la del ambiente. La

configuración de la unidad se puede realizar mediante el software Eos-ArraySoft y un cable de

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comunicación RS485. Este software se emplea también para la puesta en marcha y descarga

de datos.

Estructura soporte.

El diseño de la estructura de soporte ha sido realizado por Grupotec, área solar

(www.grupotecsolar.es). La estructura está superpuesta sobre la cubierta existente y ha sido

desarrollada en acero galvanizado y aluminio extruido. Las ménsulas, las vigas carril IPE-180 y

las correas de acero galvanizado de tipo C utilizadas en la base de la estructura son de acero

galvanizado. Sobre las correas se han distribuido unas guías de aluminio que facilitan el

atornillado de las correspondientes cerchas de aluminio. Los pórticos de aluminio sirven de

soporte a los perfiles en C que se utilizan para el montaje de los módulos fotovoltaicos en

cuatro filas de 16 módulos por fila. Los módulos EPV52 son de cristal-cristal sin marco,

disponiendo de cuatro fijaciones en forma de pinza en la parte trasera del módulo. El montaje

de la instalación ha sido llevado a cabo por Grupotec, precisándose de 6 días para completar

toda la obra, incluyendo el cableado eléctrico de la planta y la conexión de todas las partes

(cajas de conexionado DC, control de puesta a tierra del negativo del campo fotovoltaico,

inversor, etc.).

Foto 4.- Vista de la estructura diseñada por Grupotec durante los trabajos de instalación.

En el cableado del campo solar se han utilizado cables Tecsun, mientras que el conexionado

de la parte de alterna se ha realizado con cable AFUMEX, ambos de Prysmian

(www.prysmian.es/energy/) con 4 mm2 de sección. El cable Tecsun para aplicaciones

fotovoltaicas (PV) de alta seguridad (AS) está diseñado para soportar temperaturas de 120 ºC

en el conductor frente a los 90 ºC de los cables convencionales (RZ1-K, RV-K…), con una vida

útil de 30 años garantizada y alta resistencia a los rayos UVA.

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El cableado se ha dispuesto sobre bandejas aislantes perforadas en material U23X de

UNEX (www.unex.net) de 60x300, con separadores interiores para aislar los conductores

positivos de los negativos y de las líneas de sensores que bajan del campo solar. Por su

característica de material aislante, no precisan de puesta a tierra, evitan de forma perenne los

contactos indirectos y cumplen con la norma de canales protectoras indicada por la ITC-BT-30

del Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión (RD842/2002).

Producción de planta fotovoltaica.

Para la estimación de la energía generada por la planta se han utilizado los datos de Horas de

Sol de Pico (HSP en kWh/m2·dia) mostrados en la Tabla 3 y obtenidos en http://www.satel-

light.com/ y en http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/ para las condiciones de la instalación.

HSP Jan. Feb. Mar. Apr. May Jun. Jul. Aug. Sep. Oct. Nov. Dec. HSP

anuales

PVGIS 2,83 3,55 4,53 5,21 5,97 6,34 6,39 5,98 5,25 4,23 2,95 2,49 1697

Satel-

light 2,79 4,18 5,00 5,84 6,21 6,68 6,93 6,43 5,29 4,40 3,30 2,62 1816

Tabla 3.- HSP diarias promedio en cada mes y valor acumulado.

Las pérdidas en el cableado calculadas utilizando cable de 4 mm2 en el lado DC y AC de la

instalación son de un 0.61 %, valor sensiblemente inferior al recomendado en [8] y [9]. A partir

de los datos suministrados por EPVSOLAR para este módulo fotovoltaico de a-Si (TONC=41

ºC y un coeficiente de temperatura de la potencia de -0,19 %/ºC), se han calculado una

pérdidas por efecto de la temperatura del 4%, valor bastante inferior a los módulos cristalinos

que suelen presentar pérdidas por temperatura del orden del 10% debido a TONC del orden de

los 47 ºC y coeficientes de temperatura de la potencia de -0,4 %/ºC. Se ha estimado un

rendimiento global de la instalación (performance ratio o PR) aproximado a 0.8, lo que

proporciona una producción estimada que puede variar entre 1357 kWh/(kWpk⋅año) y 1453

kWh/(kWpk⋅año) según los datos de HSP utilizados. Durante los dos primeros meses de

funcionamiento de la instalación se han obtenido los resultados mostrados en la Tabla 4.

HSP Energía DC Energía AC Eficiencia

MES Mensual Diaria

Mensual

(kWh/mes)

Diaria

(kWh/dia)

Mensual

(kWh/mes)

Diaria

(kWh/dia) Inversor Planta

Agosto 188,34 6,08 614,9 20,66 563,9 18,94 0,912 0,93

Septiembre 162,92 5,43 519,7 18,02 475,8 16,5 0,909 0,91

Tabla 4.- Valores medidos durante los meses de agosto y septiembre.

Los valores mostrados en la Tabla 4 se completan con los datos de las figuras 4 y 5. En la Fig.

4 se muestran el rendimiento del inversor y el de la planta fotovoltaica. El rendimiento promedio

máximo alcanzado por el inversor ha sido del 94.3%, con una valor medio mensual que ronda

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el 91 %. Los picos de rendimientos mínimos coinciden con días de baja irradiación, como el

13/08/2010 con un total de 0.68 HSP o el 20/09/2010 con un total de 1.28 HSP.

El rendimiento promedio de la planta se sitúa en ambos meses en valores superiores al 90%,

valor sensiblemente superior al estimado (del 80%) y que está provocado por la potencia extra

proporcionada por los módulos de a-Si durante el proceso de estabilización.

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Figura 4.- Rendimientos del inversor y de la planta fotovoltaica (Performance Ratio).

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Figura 5.-Energía DC y AC generadas (eje vertical de la izquierda en kWh) y HSP (eje vertical

de la derecha en kWh/m2·dia). (Mediciones realizadas a partir de los datos obtenidos por el Eos

Array)

La línea superior de la Fig. 5 representa el valor de HSP, situándose la escala en el lado

derecho del gráfico (en kWh/(m2·día)). Para obtener dichos datos se ha utilizado una célula

fotovoltaica calibrada en el plano del campo fotovoltaico. La línea intermedia representa la

energía DC generada cada día mientras que la línea inferior representa la energía AC

inyectada a la red cada día. Los valores de energía se miden sobre el eje izquierdo, utilizando

unidades de kWh. La diferencia entre la energía DC a la entrada del inversor y la energía AC a

su salida es debida a la eficiencia en la conversión del inversor, que en valor promedio es del

0.91.

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Usos de la planta fotovoltaica.

La planta fotovoltaica de silicio amorfo de 3.3 kWpk nominales se utiliza en las partes prácticas

de los diversos cursos en Energía Solar Fotovoltaica que se ofertan en formato on-line por el

Centro de Formación Permanente (www.cfp.upv.es) de la Universidad Politécnica de Valencia.

La instalación de la planta fotovoltaica refleja la posición activa de la Universidad Politécnica de

Valencia a favor de la sostenibilidad y el medio ambiente, con la finalidad de aumentar la

sensibilidad del personal y de los futuros profesionales. El Vicerrectorado de los Campus e

Infraestructuras tiene previsto continuar con este tipo de iniciativas por su aplicación en la

formación y la investigación, acercando a los futuros titulados de la Universidad Politécnica de

Valencia a las nuevas fuentes de energía sostenibles. Simultáneamente, estas instalaciones

aumentan la producción de energía renovable, lo que supone una mejora del Sistema Gestión

Ambiental verificado según el Reglamento EMAS de la UPV.

Referencias.

[1] “Informe ASIF 2009. Hacia la consolidación de la energía solar fotovoltaica en España.”

Disponible en http://www.asif.org/files/ASIF_Informe_anual_2009.pdf

[2] Información técnica de inversores Danfoss en

http://www.danfoss.com/Spain/BusinessAreas/Solar+Energy/Products/Solar+Inverters+overvie

w.htm.

[3] Información técnica disponible en http://en.enwi-

etec.com/products/datenblaetter/GB_GAK_V1_10006878.pdf.

[4] Información sobre cajas de conexionado disponible en http://es.hawi-

energy.com/index.php?layer=ok&download_id=2&action=direktlink&kat=FOTOVOLTAICA&sho

w=

[5] Información del sistema de monitorización de Danfoss en

http://www.danfoss.com/Spain/BusinessAreas/Solar+Energy/Products/Solar+System+monitorin

g+overview.htm.

[6] Información del sistema de monitorización de Carlo Gavazzi en

http://www.productselection.net/description.php?PG=110&FAMILY=800&DS_SUPERGROUP=

4&LANG=UK&SPECIAL=.

[7] Información técnica de los diversos módulos que conforman el sistema Eos Array de Carlo

Gavazzi en http://www.productselection.net/table.php?LANG=UK&PG=110&FAMILY=800.

[8] “Informe ASIF 2008. Hacia un suministro sostenible de electricidad.” Disponible en

http://www.asif.org/files/ASIF_Informe_2008_E3.pdf

[9] “Instalaciones de energía solar fotovoltaica: pliego de condiciones técnicas de instalaciones

conectadas a red (2002)”, disponible en

http://www.idae.es/index.php/mod.publicaciones/mem.listadoDestacadas/relmenu.73.

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